Устный журнал «Современные вещества и материалы будущего»

Современные вещества и материалы будущего

устный журнал

Ермолова Е.Е., учитель химии

ТОГБОУ «Многопрофильный кадетский корпус

имени Л.С. Дёмина», г. Тамбов

В последние десятилетия синтезированы материалы, обладающие удивительными свойствами. О них и о направлениях развития современной химии мы сегодня и поговорим (презентация https://yadi.sk/d/LSrpJYdS3ShuFM)

Новая абляционная защита ракет и самолётов

Сверхзвуковые самолёты будущего могут значительно сократить время трансконтинентальных перелётов. Так из Москвы в Нью-Йорк можно будет долететь за три часа. Но чтобы выдержать мощное окисление и экстремально высокие температуры около до 3000⁰С, которым подвергаются на околозвуковых скоростях (295 м/с или 1062 км/ч) корпуса самолетов, нужно разработать покрытие из термоустойчивого материала. В последние годы идёт активная работа над созданием керамических покрытий, но самым лучшим из них удавалось выдерживать только относительно невысокую температуру до 1500°C, после чего из вещества покрытия  испарялись некоторые элементы и нарушалась структура покрытия. Сейчас группа учёных из Института Ройса при Университете Манчестера (Великобритания) и Центрального южного университета (Китай) разработала новый материал, выдерживает температуру до 3000°C. Это керамическое покрытие Zr_0.8Ti_0.2C_0.74B_0.26.

Новая абляционная защита может найти применение не только в сверхзвуковых военных и гражданских самолётах, но и в космических кораблях, возвращаемых космических модулях, рабочих поверхностях свёрл, фрез и других инструментов, которые подвергаются высокой температуре.

За композитами будущее

Пластичность, прочность, широкая сфера применения – вот чем отличаются современные композитные материалы. Они состоят из металлической или неметаллической основы, усиленной стальными, бериллиевыми нитями или борными, углеродными, стеклянными волокнами. Если комбинировать содержание компонентов, можно получать композиты разной прочности, упругости, стойкости к абразивам. Применение композитов целесообразно в самых разных сферах, но наиболее эффективно оно в отраслях, связанных с высокими технологиями.

Сферы использования:

производство деталей самолетов и двигателей;

космическая техника (производство силовых конструкций аппаратов, которые подвергаются нагреванию);

автомобилестроение (создание облегченных кузовов, рам, панелей, бамперов);

горная промышленность (производство бурового инструмента);

гражданское строительство (создание пролетов мостов, элементов сборных конструкций на высотных сооружениях);

медицина (стоматология);

строительная сфера ;

радиоэлектроника.

Композитные материалы в самолетах

Например, сегодня ни один летательный аппарат не создается без использования композитов, а в некоторых из них используется порядка 60 % полимерных композитов.

Композиционные материалы в медицине

Не менее важное значение композиты имеют в медицине. Широко применяются изготовленные из синтетических полимеров искусственные суставы, сосуды, камеры сердца. Стоматологические композиты сегодня являются основным классом пломбировочного материала, позволяющего проводить эстетическое восстановление зубов.

Синтетические пустотелые волокна

Появилисьсинтетические волокна, которые лучше противостоят холоду, чем натуральные. Самым теплым наполнителем считается тинсулет, одежда из которого легче и в 1,5 раза теплее одежды из лебяжьего пуха. Он представляет собой полиэфирное волокно, которое скручено по спирали, тоньше волокон других наполнителей и в 60 раз тоньше человеческого волоса. Спирали волокна обработаны силиконом, вокруг которого находится воздух. Последний как раз и собирает тепло, которое в дальнейшем передается телу. Тинсулейт – это заказ NASA. Он изначально предназначался для изготовления одежды космонавтов и полярников. Для того, чтобы материал стал широко использоваться, необходимо было 5 лет разработок и 2 года усиленного тестирования. Теперь многие из нас носят теплую и легкую одежду из тинсулейта.

Фантастической кажется технология, которую применила NASA, использовав в космической одежде законы термодинамики. Секрет этой одежды заключается в миллионах микроскопических капсул, встроенных в ткань. Капсулы содержат парафины, которые при нагревании плавятся и отбирают тепло у веществ, находящихся рядом. В результате такой костюм становится преградой на пути солнечных лучей к телу человека. Решая обратную задачу при охлаждении, те же парафиновые шарики начинают затвердевать под действием холода, пришедшего снаружи; застывание сопровождается выделением тепла, которое согревает ткань и тело космонавта. Подбирая соответствующие парафины, можно добиться точного, до градуса, порога при нагревании или охлаждении. Например, торс человека предпочитает температуру 35 градусов, а ноги и руки — 32 градуса. Ткань для груди и спины начиняют шариками с парафинами, имеющими так называемый фазовый переход при 35 градусах, а рукава и штанины — при 32 градусах.

Чудо ткани

Работы текстильного исследовательского центра в Крефельде (Германия) открывают поистине фантастические перспективы. Уже разработана гибкая и прочная пленка из соединения кремния, способная нести на себе различные химические соединения, которые могут сделать одежду, например, невосприимчивой к грязи или изменяющей свой цвет под лучами солнца. Инженеры исследовательского центра экспериментируют с веществами, называемыми циклодекстринами. Кольцеобразные молекулярные структуры можно прикреплять к хлопчатобумажным и синтетическим тканям и наполнять объем, создаваемый кольцами, лекарствами, исцеляющими кожные заболевания. Включается такая «лечебница» влажным теплом кожи — только тогда открываются кольцевые хранилища.

Эти же хранилища можно заполнить ароматическим веществом: представьте себе шаль, которая источает аромат, только если она наброшена на плечи женщины — тепло ее тела словно бы открывает микрофлаконы с духами.

Команда ученых-материаловедов из Гарвардского университета и университета Эксетера (Великобритания) создала волокно, которое изменяет свой цвет при растяжении. Несколько слоев этого волокна позволяют ему плавно менять свой цвет от синего до красного цвета в зависимости от степени растяжения. В будущем подобные волокна-хамелеоны могут найти применение в самых различных областях. На их основе можно будет создавать меняющую свой цвет одежду, системы адаптивного камуфляжа для солдат и военной техники, индикаторы целостности конструкций различных зданий и строений.

Металл, обладающий памятью

Советские металлурги Г. В. Курдюмов и Л. Г. Хандрос в 1948 году предложили сплав, наделённый способностью после значительных пластических деформаций восстанавливать первоначальную форму при нагреве до определённой температуры. Однако, практического применения это открытие не нашло. В 1962 году Уильям Бюлер вместе с Фредериком Вангом (США) открыли аналогичные свойства сплава на основе никеля и титана в ходе исследования в военно-морской лаборатории. Его назвали нитинол. Если деталь сложной формы подвергнуть нагреву до красного каления, то она запомнит эту форму. После остывания до комнатной температуры деталь можно деформировать, но при нагреве выше 40 °C она восстановит первоначальную форму(видео). Такое поведение связано с тем, что, фактически, этот материал является не типичным сплавом, а интерметаллидом, и при закалке взаимное расположение атомов упорядочивается, что приводит к запоминанию формы. Так уникальную конструкцию с помощью нитиноловых муфт удалость собрать в космосе. Монтаж 14-метровой мачты для крепления двигателя традиционными методами потребовал бы длительного пребывания космонавтов в космосе, что могло подвергнуть их чрезмерному космическому облучению. Нитиловые муфты позволили быстро и легко собрать конструкцию.

Он находит применение в медицине. С помощью нитиноловых фиксаторов эффективнее соединяются сломанные части костей. Нитиноловая спираль способна восстановить сечение пораженного болезнью сосуда в организме человека.

Волоконная оптика

В современном мире скорость получения информации должна быть максимально высокой поэтому большинство Интернет-провайдеров заменяют свои проводные системы на оптоволоконный кабель. Данный тип проводников рассчитан только на передачу светового импульса, который несет определенную информацию. При этом оптоволоконный кабель позволяет увеличить скорость по сравнению с металлическим проводником в несколько раз, а при своей работе не имеет побочных эффектов в виде потери качества на больших расстояниях или  нагрева проводника.

Стеклянные оптические волокна делаются из кварцевого стекла, но для дальнего инфракрасного диапазона могут использоваться другие материалы, такие как фторцирконат, фторалюминат и халькогенидные стекла (наиболее характерными представителями являются трисульфид (As₂S₃) и триселенид (As₂Se₃) мышьяка).

Молекулярные органические магнетики

Современная технология позволяет получить материал в виде стекла с металлической проводимостью или полупроводниковыми свойствами. Необходимость создания органического магнита связаны с его преимуществами: легкость, прозрачность, гибкость и способность переключаться под действием света или химического воздействия. Неметаллические магниты гораздо дешевле металлических, их легче изготавливать и обрабатывать. Первый органический магнит был создан в США в 1985 году Джоэлем Миллером из университета штата Юта (США) и Артуром Эпштейном из Огайо. В 1991 году японцы создали сложный органический магнит под невероятным названием «нитрофенил нитронил нитроксид», в состав которого входят углерод, водород, азот и кислород. Эти открытия не имели практического значения, так как магнитные свойства веществ начинали проявляться при температурах близких к абсолютному нулю! Но в 1997 году теми же авторами был создан органический магнит, работающий при температуре 75⁰С. Он состоит из ванадия, окруженного молекулами тетрацианоэтилена. А французскими исследователями под руководством Мишеля Вердаже из университета Пьера и Марии Кюри в Париже был создан органический магнит, «магнитящий» при комнатной температуре. И у него внутри ванадий и хром, а вокруг органические группы.

Графен

Новый сверхтонкий материал, состоящий из атомов углерода и имеющий структуру гексогональной кристаллической решётки толщиной в один атом, нашел применение практический во всех отраслях науки. Он был открыт Андреем Геймом и Константином Новоселовым, которые работают в Университете Манчестера. Русских ученых за это открытие наградили Нобелевской премией. Ученые предполагают, что графен может стать превосходной заменой кремнию, в особенности в полупроводниковой промышленности.

Графен обладает уникальными свойствами. Два слоя графена при затвердевании обретают прочность, превосходящую алмазы. А это означает, что на основе графена можно создать легкие надежные бронежилеты. Материал, созданный группой ученых Городского университета Нью-Йорка, получил название диамин. Он состоит из двух слоев графена на подложке из карбида кремния. В обычном состоянии он обладает легкостью и гибкостью, соизмеримыми с фольгой. При внезапном резком механическом воздействии при комнатной температуре он приобретает «сверх-алмазную» прочность.

С помощью графена и серебряных нанонитей исследователи Университета Сассекса (Великобритания) создали сенсорный экран для смартфонов, отличающийся высокой прочностью, гибкостью и меньшей энергозатратностью. А ведь всем известно, что именно экран – самое уязвимое место у смартфонов.

Мембрана на основе графена-оксида привлекла внимание ученых в качестве перспективного «кандидата» для новых технологий фильтрации воды. Ученые обнаружили, что при нахождении в воде мембраны из графена-оксида набухают, в результате чего начинают ограничивать прохождение через них солей, растворенных в воде вплоть до полной блокировки.

Итальянские компании Directa Plus и Interchimica разработали уникальное дорожное покрытие – Eco Pave, соединив асфальт с графеном. Благодаря графеновой добавке, улучшилась теплопроводность асфальта. Теперь он не размягчается в жару и не трескается при сильных морозах. В результате срок службы дорожного покрытия в среднем увеличился вдвое до 12–14 лет. К тому же, после того, как дорожное полотно постепенно придет в негодность, его можно использовать вторично, смешав со «свежим» асфальтом.

Нанотрубки

Большинство современных направлений, таких как прикладная химия или нанотехнологии, связаны с нанотрубками. Это полые цилиндрические структуры в 100 тыс. раз тоньше человеческого волоса, но в 50-100 раз прочнее стали и имеют в шесть раз меньшую плотность! Они гибкие, и напоминают по своему поведению жесткие резиновые трубки. В зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости, нанотрубкимогут быть как проводниками, так и полупроводниками электричества. Электронные свойства нанотрубок можно целенаправленно менять путем введения внутрь трубок атомов других веществ. Провода на основе нанотрубок могут пропускать ток практически без выделения тепла и ток может достигать громадного значения – 10⁷ А/см² . Классический проводник при таких значениях мгновенно бы испарился.

Из нанотрубок можно создать сверхлегкие и сверхпрочные композиционные материалы, чтобы шить из них одежду, не стесняющую движений, для пожарных и космонавтов. Нанокабель от Земли до Луны из одиночной трубки можно было бы намотать на катушку размером с маковое зернышко. Небольшая нить диаметром 1 мм, состоящая из нанотрубок, могла бы выдержать груз в 20 т, что в несколько сотен миллиардов раз больше ее собственной массы! Правда, в настоящее время максимальная длина нанотрубок не больше сантиметра, что слишком мало для повседневного использования. Однако, уже получены многослойные нанотрубки длиной 4 мм. Поэтому есть все основания надеяться, что в скором будущем ученые научатся выращивать нанотрубки длиной в метры.

Кроме того, нанотрубка представляет собой идеальную иглу сканирующего микроскопа диаметром порядка нескольких атомов. Прикладывая определенное напряжение, можно подхватывать атомы и целые молекулы, находящиеся на подложке непосредственно под иглой, и переносить их с места на место.

Молетроника

В последние годы ученые многих стран вернулись к старой и простой идее "химического" компьютера, в котором вычисления производятся отдельными молекулами. Им удалось насадить молекулу, имеющую форму кольца, на ось – линейную молекулу. Для того чтобы кольцо не соскакивало с оси, к ее концам присоединяются крупные молекулярные фрагменты, играющие роль "гаек" (в этом качестве использовались разнообразные донорные группы). При реакции с кислотой (Н+) или основанием (В) кольцо может скользить от одного конца оси к другому, "переключая" химическое состояние. Забавно, что в принципе на молекулярном уровне воссоздается механическое устройство, весьма похожее на соединение стержней и колесиков в первых, самых примитивных, вычислительных устройствах ХVII века.

Нобелевскую премию по химии в 2016 году вручили за проектирование и синтез молекулярных машин.

Забавные наноинженерные молекулы не только собираются сами, они еще и двигаются. Созданные из ДНК молекулы, могут ходить, подобно людям или животным. Они могут двигаться вдоль дорожки, правда, до недавнего времени было трудно понять, «прыгают» или «плывут». Но ученые из Отделения химии Оксфордского университета пропитали ходоков мышьяком и смогли проследить движение по тонкому следу.

Итак, в 1994 году Фрейзер Стоддарт из Северо-западного Университета в Ивастоне (США) создает молекулярный челнок, представляющий собой молекулу ротаксана, на котором «муфта» могла перемещаться в зависимости от кислотности раствора. При этом молекулы получали энергию от броуновских столкновений с другими молекулами в растворе.

В 1999 году голландский ученый Бен Феринга создал первый в истории молекулярный мотор. Он представлял собой одну крупную молекулу, содержащую два одинаковых блока, соединенных двойной углерод-углеродной связью. Пока связь была цела, система находилась в равновесии, но ее легко можно было привести в движение лучом света, который способен частично разрушить двойную C-C связь. Когда связь нарушается, блоки начинают вращаться друг относительно друга. Причем вращались только в одном направлении. Пока работал источник энергии (свет или тепло) мотор продолжал крутиться.

Но Ферринг на этом не остановился и на основе своего мотора построил четырехколесный «наноавтомобиль», способный «ехать» в заданном направлении под действием света.

Самым удивительным свойством молекулярных машин оказалось то, что они, как и их аналоги из макромира, способны перемещать объекты крупнее себя. Молекулярный моторчик Ферринги способен увезти на себе стеклянную чешуйку, масса которой в 10 000 раз превышает массу молекулы. Главная область применения молекулярных механизмов — адресная доставка лекарств. В июле 2015 года команда американских ученых разработала управляемое светом вещество — аналог известного лекарства от рака, комбретастина А-3.

Первые в истории гонки молекулярных машин

Очевидно, в наномасштабах таким технологиям нет равных.

27 апреля 2017 года в 12:00 по московскому времени во французской Тулузе стартовали первые в истории молекулярные гонки. В качестве гоночных болидов выступали молекулы или супрамолекулярные комплексы. Общая протяженность маршрута гонок — 100 нанометров, в том числе два 45-градусных поворота. Гонка продлилась около 30 часов. Организаторы отмечают, что главная цель гонок — помимо соревнования между научными группами — это усовершенствование методов наблюдения за единичными молекулами и контроля их перемещения.

Как вы смогли убедиться, химия постоянно развивается как наука. И не только в теоретическом аспекте. На нынешнем уровне развития человечества химические открытия приобрели огромное практическое значение в самых разных сферах человеческой деятельности. Именно поэтому инновации в химической отрасли часто выступают не изолированно, а соотносятся с другими науками, другими областями знаний и практическими сферами.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/300545-ustnyj-zhurnal-sovremennye-veschestva-i-mater